膨脹土工程地質(zhì)特性研究進(jìn)展

江文力 饒燕蘭

核工業(yè)志誠建設(shè)工程有限公司 江西 南昌 330096

前言：膨脹土是一種具有高分散性和高塑性的黏土，其成分構(gòu)成較為復(fù)雜，包含了蒙脫石、綠泥石、伊利石、高嶺石等多種。由于其對(duì)外部氣候變化的敏感性較強(qiáng)，因此對(duì)工程建設(shè)活動(dòng)十分不利。根據(jù)現(xiàn)有研究來看，膨脹土地區(qū)出現(xiàn)的很多災(zāi)害現(xiàn)象都與膨脹土的脹縮性、裂隙性以及超固結(jié)性等三種特性存在關(guān)聯(lián)。因此本文針對(duì)膨脹土工程地質(zhì)特性的研究進(jìn)展探討也是從這三個(gè)方面出發(fā)。

1 膨脹土工程特定研究進(jìn)展

1.1有關(guān)膨脹土脹縮性的研究進(jìn)展

膨脹土因含水率變化而出現(xiàn)的體積變化被叫做脹縮變形，膨脹土的提及會(huì)隨著含水率的提高則出現(xiàn)膨脹，相反，也會(huì)因含水率的降低而收縮。但當(dāng)膨脹土所經(jīng)歷的干濕循環(huán)次數(shù)過多時(shí)，其體積對(duì)含水率變化的敏感性將逐步降低，其脹縮變形也會(huì)呈現(xiàn)出的不可逆特征。根據(jù)劉松玉（1991）、楊和平（2006）等人的研究來看，膨脹土經(jīng)歷的干濕循環(huán)次數(shù)越多，其脹縮不可逆性表現(xiàn)的越明顯。而根據(jù)Alonso（1998）的研究，在控制吸力的情況下，膨脹土的脹縮變形可以分為宏觀結(jié)構(gòu)變形和微觀結(jié)構(gòu)變形兩部分，前者的可逆性和干濕循環(huán)的累積變形量相關(guān)，而后者大多數(shù)情況下都是可逆的。后來，欒茂田等（2008）通過對(duì)非飽和重塑土收縮特性的研究，確定了膨脹土的屈服吸力以及縮限吸力。

在膨脹土脹縮機(jī)理研究方面，根據(jù)我國譚羅榮、劉松玉以及陳亮等人的研究來看，膨脹土在吸水后體積出現(xiàn)膨脹的本質(zhì)是水膜的形成及其厚度的持續(xù)增加，導(dǎo)致膨脹土的顆粒間距持續(xù)增大，而且在顆粒之間形成了一種“楔”力。根據(jù)Basma（1996）的試驗(yàn)研究，膨脹土的初始含水率和吸力狀態(tài)是干濕循環(huán)過程中土體脹縮變形特征的主要控制因素。根據(jù)我國陳亮等（2013）、吳珺華等（2013）的研究，干濕循環(huán)次數(shù)以及外力條件對(duì)膨脹土的變形情況也有顯著影響，干濕循環(huán)次數(shù)的增加會(huì)使膨脹土的相對(duì)膨脹率以及絕對(duì)膨脹率同時(shí)降低，而外部荷載的增加則會(huì)對(duì)其膨脹變形產(chǎn)生顯著的抑制效果。

1.2有關(guān)膨脹土裂隙性的研究進(jìn)展

在嚴(yán)重失水的情況下，膨脹土的表面會(huì)出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，產(chǎn)生相互交錯(cuò)的裂隙網(wǎng)絡(luò)。在膨脹土工程中，這種龜裂現(xiàn)象會(huì)帶來十分不利的后果，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)地質(zhì)問題。膨脹土表面出現(xiàn)的裂隙會(huì)損害土體的整體性和承載能力，相應(yīng)的土地壓縮性則會(huì)出現(xiàn)增長，容易引發(fā)建筑建筑的不均勻沉降。

在關(guān)于膨脹土裂隙性的研究中，裂隙網(wǎng)絡(luò)的定量分析是一個(gè)重要方向，目前已經(jīng)取得了不錯(cuò)的成果。如盧再華等（2002）利用CT對(duì)重塑膨脹土在干濕循環(huán)過程中其裂隙的演化情況進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)膨脹土裂隙演化過程的定量分析。再如，李雄偉等（2009）對(duì)膨脹土干燥過程中裂縫的分形維數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，建立了其與裂隙率之間存在的線性關(guān)系以及含水率與裂隙率之間的線性關(guān)系。

在膨脹土干縮裂隙形成機(jī)理的研究領(lǐng)域，至今學(xué)術(shù)界并未形成共識(shí)，如唐朝生等（2012a）認(rèn)為膨脹土的龜裂是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展的過程，主要受水分蒸發(fā)速率、膨脹土收縮特定以及應(yīng)力狀態(tài)等因素的影響。他們研究發(fā)現(xiàn)，膨脹土的龜裂主要與吸力以及抗拉強(qiáng)度兩項(xiàng)參數(shù)相關(guān)，一旦土體吸力過高，導(dǎo)致張拉應(yīng)力超出其自身的抗拉強(qiáng)度，就會(huì)出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象。此外，Shin（2011）從微粒和宏觀孔隙的角度對(duì)膨脹土干燥裂隙的發(fā)展過程進(jìn)行了研究，他認(rèn)為空氣進(jìn)入膨脹土孔隙中是其表面裂隙發(fā)育的臨界點(diǎn)，以此推斷，膨脹土表面孔隙較大的部位，在干燥時(shí)更容易進(jìn)入空氣，導(dǎo)致吸力快速增加而產(chǎn)生裂隙。

1.3有關(guān)膨脹土超固結(jié)性的研究進(jìn)展

超固結(jié)是指土體在土質(zhì)歷史過程中正經(jīng)承受過比當(dāng)前應(yīng)力水平更高的荷載作用，其固結(jié)狀態(tài)通常用超固結(jié)比ORC來描述。相較于脹縮性和裂隙性，關(guān)于膨脹超固結(jié)性的研究相對(duì)較少，且大多數(shù)都是定性描述。在膨脹土出現(xiàn)超固結(jié)性的原因研究方面，姚海林等（2002）研究認(rèn)為膨脹土在干濕循環(huán)的影響下會(huì)出現(xiàn)反復(fù)的脹縮變形，導(dǎo)致其水平側(cè)向應(yīng)力遠(yuǎn)超出豎向自重應(yīng)力，這是膨脹土表現(xiàn)出超固結(jié)性的原因。因此水平應(yīng)力超出垂直應(yīng)力是膨脹土超固結(jié)性的重要特征之一。Brackley（1987）對(duì)南非膨脹土地區(qū)側(cè)向壓力遂深度和季節(jié)的變化情況進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果顯示，膨脹測(cè)壓力系數(shù)基本達(dá)到甚至超過了土體的被動(dòng)側(cè)壓力系數(shù)。

在膨脹土工程中，超固結(jié)特性的影響往往會(huì)被人忽視，導(dǎo)致地質(zhì)問題的發(fā)生。例如在進(jìn)行邊坡開挖的過程中，膨脹土所具有的較高水平應(yīng)力會(huì)使開挖時(shí)產(chǎn)生的卸荷效應(yīng)遠(yuǎn)高于普通的固結(jié)黏土，進(jìn)而導(dǎo)致裂隙的產(chǎn)生，影響土體的結(jié)構(gòu)整體性、穩(wěn)定性以及強(qiáng)度。

2 膨脹土工程處治技術(shù)研究進(jìn)展

在膨脹土工程中，為了避免工程地質(zhì)問題的發(fā)生，人們對(duì)工程處治技術(shù)的研究也取得了不俗的成果。很多國家在膨脹土地區(qū)修建鐵路時(shí)，都出現(xiàn)過因邊坡土體強(qiáng)度衰減以及基床土體承載力降低而導(dǎo)致的滑坡、沉降問題，影響列車運(yùn)行安全穩(wěn)定。在膨脹土地區(qū)進(jìn)行道路工程建設(shè)時(shí)，必須要根據(jù)路基工程的地質(zhì)性質(zhì)采用最科學(xué)的設(shè)計(jì)形式，需要考慮的因素包括膨脹土的類型、邊坡土體的結(jié)構(gòu)類型、裂隙產(chǎn)狀及發(fā)展?fàn)顩r、地形地貌、水文地質(zhì)特征等。

在膨脹土地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)中很容易出現(xiàn)不均勻沉降、邊坡坍滑、路面開裂等現(xiàn)象，對(duì)此，不要直接使用膨脹土進(jìn)行路堤的填筑，同時(shí)還要對(duì)膨脹土地區(qū)的路基進(jìn)行換填處理，但這則會(huì)引發(fā)水土流失、環(huán)境破壞等一系列問題。因此王保田等（2005）研究出了一種化學(xué)改性的方法，通過在膨脹土路基中摻加石灰或是注入化學(xué)漿液的方式提高土體的穩(wěn)固性，為工程建設(shè)創(chuàng)造條件。此外，楊和平等（2007b）根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)和實(shí)體工程驗(yàn)證了一種有效的膨脹土物理處治技術(shù)，并在我國多條高速公路建設(shè)中實(shí)現(xiàn)了成功應(yīng)用，有效避免了土地資源的浪費(fèi)，同時(shí)也促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)保效益的提升。

結(jié)語：綜上所述，膨脹土所具有的脹縮性、裂隙性以及超固結(jié)性為工程建設(shè)活動(dòng)帶來了較大的困難，人們基于對(duì)其特性的研究針對(duì)性的研發(fā)了膨脹土工程的處治技術(shù)，有效降低了膨脹土對(duì)工程建設(shè)的負(fù)面影響，實(shí)現(xiàn)了工程效益的提升。